[发明专利]α-二氧化锰-氧化石墨-聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法

摘要

一种α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法，首先制备聚偏氟乙烯微滤分离膜并对其进行碱化和粉碎处理，然后制备氧化石墨和偏氟乙烯微滤复合物，之后在氧化石墨和聚偏氟乙烯复合物上沉积α‑二氧化锰微粒，最后再经冷压成型和热处理工序处理，制得了摩擦学性能优良的α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料。本发明使减摩耐磨增效组元α‑二氧化锰、氧化石墨微粒在聚偏氟乙烯中分布更为均匀，避免了α‑二氧化锰和氧化石墨微粒在聚偏氟乙烯中的聚结成团，极大改善了聚偏氟乙烯的耐磨和减摩的摩擦学特性。

主权项

1.一种α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)聚偏氟乙烯的预处理：①聚偏氟乙烯微滤分离膜的制备：a、按N,N‑二甲基乙酰胺溶剂：聚乙烯吡咯烷酮：聚偏氟乙烯的质量比为100：3～5：18～20的比例，首先将聚乙烯吡咯烷酮加入到盛有N,N‑二甲基乙酰胺溶剂的容器中，并将容器置于磁力搅拌器上，开启搅拌器加热开关，使容器中N,N‑二甲基乙酰胺溶剂的温度由室温升高至80℃，同时开启磁力搅拌开关，搅拌溶液使聚乙烯吡咯烷酮溶解后，再加入平均粒径为0.1mm的聚偏氟乙烯粉末，在80℃下继续磁力搅拌4h，确保加入的聚偏氟乙烯粉末全部溶解后，将溶液温度降至50℃，并缓慢磁力搅拌2h，即制备了聚偏氟乙烯微滤分离膜制备所用的铸液；b、将制得的铸液倒在光滑洁净的玻璃板上，用玻璃棒轻轻推动铸液使其在玻璃板上形成均一液态薄层，之后将载有液态薄层的玻璃板完全浸没在冷凝浴溶液中，冷凝浴溶液是体积分数为5‰的N,N‑二甲基乙酰胺去离子水溶液，冷凝浴溶液温度为40～50℃，待玻璃板上液态薄层凝胶化成膜并自动从玻璃板上脱离后，将薄膜用去离子水浸泡24h，之后将其从去离子水中取出并用去离子水洗净；②聚偏氟乙烯分离膜的碱化处理：将步骤①的聚偏氟乙烯微滤分离膜置于质量浓度为24％的氢氧化钠溶液中，室温浸泡15min，之后将分离膜从氢氧化钠溶液中取出，用去离子水反复冲洗，直至冲洗水的pH值为中性；③聚偏氟乙烯分离膜的粉碎处理：用剪刀将烘干后且经碱化处理的聚偏氟乙烯分离膜裁剪成平均尺寸为5mm的碎屑；(2)制备α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料所用复合物微粒的制备①氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物的制备：a、按N,N‑二甲基甲酰胺：氧化石墨粉末：聚偏氟乙烯分离膜碎屑的质量比为100：3～4.2：18～20的比例，将平均粒径为20μm的氧化石墨粉末加入到盛有N,N‑二甲基甲酰胺的容器中，用保鲜膜密封容器口并将容器置于超声波处理器中进行超声波处理2h，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为20～30℃；然后将容器从超声波处理器中取出，置于磁力搅拌器上，相继开启搅拌器加热和磁力搅拌开关，搅拌溶液保证氧化石墨在N,N‑二甲基甲酰胺中均匀分散，同时使容器中N,N‑二甲基甲酰胺溶剂的温度由室温升高至80℃；之后将步骤(1)的聚偏氟乙烯分离膜碎屑加入到容器中，在80℃下继续磁力搅拌4h，确保加入的聚偏氟乙烯分离膜碎屑全部溶解后，将溶液温度降至50℃，并缓慢磁力搅拌2h得到悬浮溶液；b、将悬浮溶液平稳地倒在干净的玻璃板上，用玻璃棒轻轻推动悬浮溶液使其在玻璃板上形成均一液态薄层，之后将载有液态薄层的玻璃板置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度为80℃；待液态薄层近干时，将玻璃板从烘箱中取出并将其瞬时浸没到温度为40～50℃自来水中，20～30min后将薄膜从玻璃板上揭下来并用去离子水冲洗干净，之后将其置于烘箱中于80℃温度下烘干；c、将烘干后的薄膜从烘箱中取出，并用粉碎机将其粉碎成平均尺寸为2mm的碎屑，即得氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物；②α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物的制备按去离子水：硫酸锰：氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物：高锰酸钾的质量比为10:0.5～1：1～1.5:0.5～1的比例，将硫酸锰固体粉末加入到盛有去离子水的容器中，室温下磁力搅拌使硫酸锰固体粉末溶解后，将氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物加入到硫酸锰水溶液中，并将此溶液超声处理20～30min，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为20～30℃；然后向混合溶液中加入高锰酸钾固体粉末，室温下搅拌使高锰酸钾固体溶解后，将混合溶液转移到容积为25mL、内衬层为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，拧紧不锈钢反应釜的密封盖并将其置于电炉中，控制电炉炉堂内的温度为150℃，使不锈钢反应釜中的混合溶液在此温度下水热反应24h；混合溶液水热反应结束后，关闭电炉电源使其自然冷却至室温；待电炉自然冷却至室温后，从电炉中取出不锈钢反应釜，打开不锈钢反应釜的密封盖，将反应釜内混合溶液进行过滤并收集截留物，之后用去离子水多次洗涤所得到的过滤截留物，此截留物即为α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物；③α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物的还原处理：按去离子水：硼氢化钠：α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物的质量比为40:1:0.4～0.8的比例，首先将硼氢化钠溶于去离子水中配制硼氢化钠水溶液，然后将上述α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物加入到硼氢化钠水溶液中进行还原处理，以减少氧化石墨所载带的含氧官能基团数目；用水浴将硼氢化钠水溶液的温度控制为80℃并反应2h；2h后将α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物从硼氢化钠水溶液中过滤分离出来，并将其用去离子水洗净；之后将清洗干净的α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物置于真空干燥箱中，并在60℃下干燥处理12h；待复合物干燥处理后，将其从真空干燥箱中取出并进一步粉碎处理，得到平均尺寸为0.5mm的细小碎末颗粒，即为制备α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料所用的复合物微粒；(3)α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料的制备：①所用原料：α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒、质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液、无水乙醇和去离子水；上述各原料用量有如下质量比例关系：α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒：聚四氟乙烯乳液：无水乙醇：去离子水＝8～9：1～1.5：5：15；②α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料制备所用物料的混合处理：a、首先将聚四氟乙烯乳液加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中，并超声振荡15～20min，超声波频率为40kHz，超声波水浴的温度为25～35℃，使聚四氟乙烯乳液在乙醇水溶液中均匀分散；b、然后将步骤(2)的α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒加入到上述聚四氟乙烯乳液的乙醇水溶液中，室温下磁力搅拌60～90min，然后水浴加热将溶液温度由室温升至80℃，用玻璃棒缓慢搅拌溶液，待α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒完全粘连时停止加热，并将粘连在一起的α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒从溶液中分离出来；c、将分离并粘连在一起α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物微粒置干燥箱中，于100℃温度下干燥处理4h，即制得制备α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯减摩耐磨复合材料所用的混合粉末；③α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合物耐磨减摩复合材料的成型处理：a、首先将制备α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯复合材料所用的混合粉末倒入冷模压模具中进行压制成型，压制压力为20～25MPa，压制时间为10～15min；待混合粉末压制处理完毕后，将其从冷模压模具中取出，对其进行修整去除毛刺，使其光滑平整，制得直径约为43.5mm、厚度约为3mm的圆盘状α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料薄片；b、将修整后的α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料薄片置于温控电炉中进行热处理，首先将电炉温度自室温以3℃/min的升温速率升至180℃，并在180℃保温60min；然后将电炉温度以1℃/min的升温速率由180℃升高到220℃，并在220℃保温90min；之后关闭电炉电源，自然冷却至室温，待电炉温度自然冷却至室温后，将热处理后的薄片取出，即得到α‑二氧化锰‑氧化石墨‑聚偏氟乙烯耐磨减摩复合材料。